龍泉山斷裂帶隱伏斷層氡氣特征及其活動性分析

劉 亮,梁 斌,燕中林,李江濤,應立朝,楊鵬濤,楊宇東

(1.四川省地礦局川西北地質隊,四川 綿陽 621010;2.西南科技大學環境與資源學院,四川 綿陽 621010;3.貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司,四川 成都 610000;4.樂山市自然資源局,四川 樂山 614000)

引言

龍泉山地區人口比較稠密,是重要的工業、農業、教育基地,成渝鐵路和一些重要公路干線橫跨該帶,當地還有黑龍灘、三岔湖水庫和龍泉山引水隧洞等重要水利工程。隨著成都市的東進,新機場和航空新城的建設,我們必須面對的現實問題就是龍泉山斷裂帶。沿龍泉山構造帶的歷史地震資料表明,地震震中沿構造帶呈帶狀分布,且具分段特征。20世紀80年代以來,不斷有專家學者從構造變形、演化歷史、動力學、地球物理特征等方面對龍泉山構造帶進行了研究;從年代學、構造地貌、第四紀地質、沿構造帶的地震活動、形變測量等方面對其在第四紀期間的活動性及潛在活動性進行了探討[1-6]。

龍泉山斷裂帶包括東坡和西坡一系列活動斷層(圖1),受殘坡積物及第四系沉積物的影響,斷層出露不連續,多呈隱伏狀態,了解和確定隱伏斷層的位置及活動性,顯得尤為迫切。當前,利用測量斷層氡氣釋放強度、范圍等的變化來尋找覆蓋區斷裂(帶)的空間分布位置及其相對活動性的分析評價,已逐漸在國內外得到較廣泛的應用[7-11]。美國、日本、前蘇聯及中國等先后開展了斷裂帶土壤氣中氡的監測和研究,試圖用斷層逸出氡的濃度異常預報地震活動[7-11]。美、日等國學者先后將此方法應用在圣安德列斯斷層、中央大斷層等進行斷層活動性研究。我國也先后將此方法應用于地震監測、地震區劃、地震烈度評估、探礦、資源開發等領域,并取得了較好的效果[12-16]。本論文利用測量斷層氡氣釋放強度、形態及范圍等的變化來尋找覆蓋區斷裂(帶)的空間分布位置,并分析評價其相對活動性,以期為活動斷裂研究和一般工程項目提供科學依據。

圖1 龍泉山斷裂帶地質簡圖及氡氣測線分布圖Fig.1 Simplified geological map showing the distribution of the faults and radon measuring lines in the Longquanshan fault zone

1 龍泉山構造帶特征

龍泉山構造帶處于揚子陸塊西緣的被動大陸邊緣地帶與松潘-甘孜地塊過渡帶上,西臨龍門山構造帶。研究區出露地層主要為中生代侏羅系和白堊系,古近紀和新近紀地層不發育,第四紀沉積物分布在極其有限的堆積階地,局部見有殘坡積物。龍泉山構造帶南起仁壽,北達中江,全長130km,寬15~20km,構造形跡規模宏大(圖1),以龍泉山箱狀大背斜為骨干,由一系列走向北東20°~30°的褶皺、逆沖斷層等壓性、壓扭性結構面組成,構造軸線呈現不同程度的彎曲,具有扭動作用[3,17]。其形成和發展與龍門山構造帶關系密切。

龍泉山背斜軸部寬闊平緩,兩翼陡然下降,為典型的箱狀背斜。龍泉山斷裂為第四系一般性活動斷裂,由龍泉山西坡和東坡兩斷裂帶相向對傾組成,總體走向北東20°~30°(圖1)。尤其是西坡斷裂帶嚴格控制了成都平原第四系沉積的東界,其形成歷史可追溯到晚侏羅紀—早白堊紀[18],與龍泉山背斜的形成過程具有密切的成因聯系[19-20]。

2 研究方法

2.1 氡氣測量原理

巖石中的放射性元素Ra(鐳)、ThX(釷)和AcX(錒)衰變時產生Rn(氡)、Tn(釷射氣)和An(錒射氣)。這些射氣中有一部分逸散到巖石的孔隙中和裂隙中或進入土壤的空氣中變成自由氣體,這種現象叫射氣作用。逸散出來的那部分氣體,受擴散和對流作用的影響而發生運移。保留在巖石中的射氣是受束縛的,不能參與擴散與對流。因此,土壤空氣中的射氣濃度變化只與巖石中釋放出來的那部分射氣有關。總的來講,氡氣在一定的壓力差、溫度差、梯度差下,從下向上遷移。當地殼中存在活斷層,特別是新的活動斷裂時,一方面由于其破碎帶膠結程度差,有效孔隙度和滲透率高,為放射性氣體富集和運移提供了有利條件;另一方面,由于斷層的新活動性,比如地震、滑坡等地質災害,使束縛在斷裂帶兩盤巖石孔隙中的放射性氣體釋放出來成為自由氡[11,21]。

由于上述原因,在活動斷裂帶的出露位置,土壤中的氡氣濃度會局部增高,形成氡異常。通常異常的出露部位、異常的大小、形態特征與斷層的位置、產狀、規模、活動性有關,所以可根據氡異常曲線的位置和形態,判斷活動斷裂的位置和產狀,根據異常帶的寬度和異常峰值,判斷活動斷裂的規模及相對活動性[22-23]。

2.2 氡氣異常形態

氡異常的形成與活斷層規模的大小、活動程度、斷層的傾向及傾角、破碎帶寬度、充填物的透氣性、覆蓋層厚度等因素有關,同時受氣候條件、地貌、植被影響,所以形成的異常曲線形態各異[13],一般具有如下3種常見形態。

(1)對稱單峰異常:異常基本對稱的單峰,這類異常多為近乎直立的規模較小斷層所致,埋深較淺;另一種可能是斷層規模雖然較小,埋深較大,但覆蓋層的孔隙度較大,有利于斷層氣體的擴散對流,也形成較明顯的單峰。

(2)不對稱單峰異常:這類異常一種為規模較大的斷裂(層)引起,其埋深較大,產狀較陡;另一種情況可能埋深不大,但覆蓋層物質的孔隙度較小,不利斷層氣體的對流擴散,形成峰值較小的寬單峰異常。在斷層傾向的方向一側比另一側升降緩慢。

(3)多峰異常:這類異常多為斜傾的大斷裂帶所致,在主斷層的上盤發育次級裂隙或淺表的次級小裂隙發育。主峰為主斷層對應的位置,次級峰的方向為斷層的傾斜方向。以上3種類型之間還會有許多過渡類型。

2.3 本次工作情況

本次研究采用美國產DURRIDGE RAD-7型氡氣分析測試儀器進行現場測定,DURRIDGE RAD-7使用固態α探測器,能將α輻射直接轉換為信號。實際測量過程中首先在地形地質圖上確定好測線的位置和方位,野外運用GPS和羅盤保持總體方位一致。測點間距布置在30~50m,出現異常的地段加密至10m左右,在氡氣濃度低的地段適當增大間距。測量并記錄每一個測點的點位、點距,開始測量之前必須將儀器抽取空氣凈化4分鐘,然后將探桿插入土層60~70cm,盡量壓實表面土層,每個點測量設定3次循環過程,每個循環4分鐘,記錄下3個數據。根據儀器使用規范,第三次數據為該點土壤氡氣濃度數據,單位為Bq/m3。

背景值的確定直接影響氡氣特征曲線的形態和規模,進而影響對斷層規模和活動性的判斷[15],明顯的高值、低值和不可靠值不參加統計計算[16]。由于4條剖面的地質背景基本相同,侏羅紀和白堊紀地層均為一套陸相砂巖、泥巖地層,其地層本身對氡氣濃度影響不大。為了消除測線本身長短對異常值的影響,也為了便于比較,將4條測線的背景值取全部數據的平均值加其2倍均方差,反復剔除異常值和零值后的平均值作為4條測線的背景值[24]。異常下限值根據中國地震局標準,取該測線均值的2~4倍均方差之和。本文為了保持數據的真實性,第一次所有數據參與計算,得到一個異常下限值,然后去掉高于異常下限值和異常低值后再一次計算,取經過反復剔除后的均值與其2倍均方差之和作為異常下限值,4條剖面求得的背景值為870 Bq/m3,異常下限值為2854 Bq/m3,異常平均值為8380Bq/m3。

3 龍泉山斷層氡氣特征

3.1 測線的布置及依據

沿龍泉山構造帶的歷史地震資料表明,地震震中沿構造帶呈帶狀分布,且具分段特征(圖1)。歷史有震感的地震大多集中在該帶北段的中江至金堂一帶、該帶南段的井研一帶和雙流與仁壽交界處的龍泉山斷裂帶斷層分段處[1-2]。因而本次研究選擇在地震活動性較強的金堂、永興一帶進行氡氣測量,驗證龍泉山斷裂帶的活動性、空間展布,比較東坡與西坡斷裂的活動性強弱。北段東坡斷裂在5·12地震過后地震頻率有顯著增強的趨勢,我們分別在斷裂帶北段的金堂縣趙家鎮和合興場垂直于紅花塘斷層(C-C′)和合興場斷層(B-B′)各布置了一條測線;西坡龍泉驛斷層發生多次中小地震。同時為了驗證龍泉山構造帶的西邊界,即平原與丘陵截然帶,我們分別在雙流永興垂直龍泉驛斷層(DD′)、金堂官倉垂直松林場斷層(A-A′)各布置了一條測線(圖1)。

3.2 龍泉山西坡龍泉驛斷層D-D′永興測線氡氣異常特征

根據異常下限值以及土壤氡氣濃度分布特征,龍泉驛斷裂的土壤氡氣異常明顯分為3個異常帶,從NW到SE,分別編為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ帶(圖2)。

異常Ⅰ帶:由2個氡氣濃度異常值組成,最高峰峰值濃度為8310Bq/m3,峰值平均值為5940Bq/m3。異常形態為不對稱單峰形,異常峰向SE方向變緩,異常帶寬度約為100m。

異常Ⅱ帶:由5個氡氣濃度異常值組成,最高峰峰值濃度為9250Bq/m3,峰值平均值為7160Bq/m3。異常形態為多峰形,異常帶寬度約為250m,異常規模大。

圖2 龍泉驛斷層氡氣測量結果圖Fig.2 Measurements of radon in the Longquanyi fault

異常Ⅲ帶:由1個氡氣濃度異常值組成,最高峰峰值濃度為17500Bq/m3。異常形態為對稱單峰形,異常帶寬度約為50m,這與地形較陡、覆蓋層較薄、氡氣異常不易保存有關,導致異常規模雖然較小,但仍顯示出較強活動性。

在永興處測得的龍泉驛斷層的3個氡氣異常分帶中,異常Ⅰ帶平均值、最高值分別是背景值的6.8、9.6倍;異常Ⅱ帶平均值、最高值分別是背景值的8.2、10.6倍;異常Ⅲ帶平均值、最高值均為背景值的20.1倍。

圖3 松林場斷層氡氣測量結果圖Fig.3 Measurements of radon in the Songlinchang fault

根據上述特征(表1),龍泉驛斷層永興段土壤氡氣異常帶特征與所指示的斷層(帶)的相對活動性表現為:Ⅲ>Ⅱ>Ⅰ。

3.3 龍泉山西坡隱伏斷層A-A′官倉測線氡氣異常特征

根據異常下限值及土壤氡氣濃度分布特征,龍泉山西坡隱伏斷層即松林場斷層的土壤氡氣異常明顯分為2個異常帶,從E到W,分別編為Ⅰ、Ⅱ帶(圖3)。

異常Ⅰ帶:由5個氡氣濃度異常值組成,最高峰峰值濃度為7270Bq/m3。異常形態為多峰形,峰值平均值為4458Bq/m3。異常形態為多峰形,異常峰向NW方向變緩,異常帶寬度約為400m,異常規模大,推測該異常帶有兩條或多條斷層。

異常Ⅱ帶:由2個氡氣濃度異常值組成,最高峰峰值濃度為3300Bq/m3,平均峰值濃度為3077Bq/m3。異常形態為對稱單峰形,寬度約為70m,規模較小。

在官倉測得的松林場斷層的2個氡氣異常分帶中,異常Ⅰ帶平均值、最高值分別是背景值的5.1倍、8.4倍;異常Ⅱ帶平均值、最高值分別是背景值的3.5倍和3.8倍。

根據上述特征,官倉土壤氡氣異常帶特征與所指示的斷層(帶)的相對活動性表現為:Ⅰ>Ⅱ(表1)。

3.4 龍泉山東坡斷層C-C′趙家鎮測線氡氣異常特征

根據異常下限值以及土壤氡氣濃度分布特征,紅花塘斷裂的土壤氡氣異常明顯分為3個異常帶,從E到W,分別編為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ帶(圖4)。

異常Ⅰ帶:由15個氡氣濃度異常值組成,最高峰峰值濃度為10800Bq/m3。異常形態為多峰形,峰值平均值為7073Bq/m3。異常峰向W變緩,異常帶寬度約為250m,規模大。

異常Ⅱ帶:由3個氡氣濃度異常值組成,最高峰峰值濃度為10300Bq/m3,峰值平均值為6867Bq/m3。異常形態為單峰形,異常峰向兩邊對稱,異常帶寬度約為50m,規模較小。

異常Ⅲ帶:由8個氡氣濃度異常值組成,最高峰峰值濃度為8880Bq/m3。峰值平均值為7445 Bq/m3。異常形態為單峰形,異常峰向兩邊基本對稱,異常帶寬度約為150m,規模較小。

在趙家鎮測得趙家鎮斷層的3個氡氣異常分帶中,異常Ⅰ帶平均值、最高值分別是背景值的8.1、12.4倍;異常Ⅱ帶平均值、最高值分別是背景值的7.9、11.8倍;異常Ⅲ帶平均值、最高值分別是背景值的8.6、10.2倍。

根據上述特征(表1),趙家鎮土壤氡氣異常帶特征與所指示的斷層(帶)的相對活動性表現為:Ⅱ>Ⅰ>Ⅲ。

3.5 龍泉山東坡斷層B-B′合興鄉測線氡氣異常特征

根據異常下限值以及土壤氡氣濃度分布特征,合興場斷裂的土壤氡氣異常明顯分為2個異常帶,從SE到NW,分別編為Ⅰ、Ⅱ帶(圖5)。

圖4 紅花塘斷層氡氣測量結果圖Fig.4 Measurements of radon in the Honghuatang fault

圖5 龍泉山東坡合興場斷層氡氣測量結果圖Fig.5 Measurements of radon in the Hexingchang fault

異常Ⅰ帶:由15個氡氣濃度異常值組成,最高峰峰值濃度為30500Bq/m3,平均峰值濃度為13070Bq/m3,異常形態為單峰形,異常帶寬度約為350m,此異常寬度寬,推測該斷層規模較大,活動性較強,這與5·12以后最新地震頻發現象一致。

異常Ⅱ帶:由3個氡氣濃度異常值組成,最高峰峰值濃度為12700Bq/m3,平均峰值濃度為6147Bq/m3。異常形態為單峰形,異常峰向兩邊對稱。異常帶寬度約為50m,規模較小。

在合興鄉測得的合興場斷層的2個氡氣異常分帶中,異常Ⅰ帶平均值、最高值分別為背景值的15.0倍和35.1倍;異常Ⅱ帶平均值、最高值均為背景值的7.1倍和14.6倍。

根據上述特征(表1),趙家鎮土壤氡氣異常帶特征與所指示的斷層(帶)的相對活動性表現為:Ⅰ>Ⅱ。

4 龍泉山斷層氡氣活動性分析

目前,在國內外尚未見到用氡氣測試方法來研究斷裂活動性分級(活動強度級別)的一種統一的判別標準,僅有極個別研究者,根據其經驗,提出了少數僅適應于局部地區性應用的相對判別依據[23,25]。本文嘗試采用比擬法,通過比較M(平均峰值濃度/背景值)和M′(最高峰值濃度/背景值)與59個異常平均值與背景值的比值,大致歸納出適合龍泉山地區隱伏斷層活動性的相對判別標準。

本文在分析了研究區的其它測試成果資料后,結合本次系統測試數據,初步確定了紅花塘斷層和龍泉驛斷層的活動性。紅花塘斷層附近弱震、微震頻度大,最新活動年代為晚更新世早期,活動方式為粘滑;龍泉驛斷層地震頻度相對較小,但震級較大,多次發生小震—中震,如1967年大林場地震,最新活動年代為中更新世晚期—晚更新世早期,活動方式為粘滑為主兼具蠕滑。地震和最新活動年、活動方式表明兩條斷層為一般活動性斷層(另文待刊)。

本次測得59個異常平均值為背景值的9.6倍,據此將各異常帶峰值濃度/背景值進行比較劃分,當M與M′有一個達到此值(表1),即可認為斷層為一般活動斷層,具備發震的潛力。此劃分標準與現今地震和測年資料反映的結果基本一致,紅花塘斷層和龍泉驛斷層異常帶均有一個值>9.6,兩條斷層附近均有中小地震分布。合興場斷層的M與M′均>9.6,顯示其活動性較強,為中等活動斷層,測年資料顯示其最新活動年代為中更新世中期,斷層附近有明顯的小震分布。而松林場斷層均小于此值,顯示活動性弱,斷層附近也無地震分布。進而采用比擬法,大致歸納出適合龍泉山地區的相對判別標準:M與M′值均<9.6,為活動性極弱-弱斷層;M或M′值其中有一個>9.6,即為一般活動性斷層;M與M′均>9.6,即為中等活動斷層;一般M與M′越大,活動性越強。整體來看,研究區斷層活動性還未達到強活動斷層的程度。

從4條測線來看,上述斷層均有一定的活動性。3條主要斷層,西坡龍泉驛斷層與東坡合興鄉斷層、趙家鎮斷層氡氣值及峰背比值均明顯高于邊緣次級斷層松林場斷層,表明氡氣異常值的高低與斷層活動性呈正相關,可以據此判斷斷層的相對活動性。通過野外實測氡氣發現,地貌標志能反應斷層的存在,但是往往根據地貌推測的斷層跟實際都有一定出入,通過氡氣測量能很好地解決這個問題,能夠把斷層的位置控制在數十米范圍內,能夠為一般的工程活動提供科學依據。

從東坡合興場斷層和紅花塘斷層活動性比較來看,最新活動性越強、活動時間越近(最近地震越頻繁),氡氣濃度值越高,這與地震分布規律一致(圖1)。

從龍泉山西坡斷裂帶的氡氣異常特征來看,在龍泉山構造帶與平原截然的地方確實存在隱伏斷層,并且有一定活動性,這些隱伏斷層較好地控制了構造帶與平原的界線。同時主斷層龍泉驛斷層的活動性明顯強于邊緣隱伏斷層松林場斷層,這與主斷裂破碎帶寬、連通性好有關。

各斷層氡氣異常特征還顯示,同一條測線,其氡氣異常帶有兩個或多個,這表明,龍泉山斷層,不管是東坡還是西坡斷層,都是由一系列近于平行的斷裂組合而成,其在地表的破碎帶都不止一個。這些地表破碎帶在地下一定深度便收斂于同一條斷層,準確的說應該是同一斷層在地表的多條破碎帶,這些破碎帶的連通性有差別,因而造成氡氣異常特征不同(表1)。4條斷層破碎帶均較寬,由多個氡異常帶組成,表明斷層具較大規模和較強活動性。

幾條測線的地質背景是基本相同的,異常值的高低與斷層本身的性質密切相關。北段東坡與西坡斷裂帶氡氣特征比較發現,東坡斷裂異常帶的活動性較強,西坡斷裂的活動性相對較弱。這與現今地震,尤其是5·12地震后,地震主要集中在北段東坡斷裂一致。綜合各條斷層的氡氣異常特征來看,4條斷層的活動性由強到弱依次為合興場斷層>紅花塘斷層>龍泉驛斷層>松林場斷層。

表1 龍泉山斷裂帶氡氣異常形態及對斷層的指示Table 1 Relationship between the radon anomaly and fault activity in the Longquanshan fault zone

5 結論

(1)氡氣測量結果顯示,龍泉山斷裂帶是由一系列斜列或近于平行的斷裂組合而成。斷裂帶北段東坡活動性強于西坡,歷史地震和現今地震也主要集中在東坡斷裂。主斷層氡氣值及峰背比值明顯強于邊緣次級斷層,氡氣異常值與斷層活動性呈正相關。4條斷層的活動性由強到弱依次為合興場斷層>紅花塘斷層>龍泉驛斷層>松林場斷層。

(2)對單條斷層的測量結果顯示,同一條斷層,其地表破碎帶較寬,且由多個破碎帶組成,破碎帶的氡氣異常特征與斷層活動性和破碎帶自身條件(如連通性、規模、覆蓋物厚度等)成一定的對應關系,即斷層活動性越強,破碎帶連通性越好,氡氣異常特征越顯著。

(3)采用比擬法,大致歸納出適合龍泉山地區隱伏斷層的相對判別標準:M與M′值均<9.6,為活動性極弱-弱斷層;M與M′值其中有一個>9.6,即為一般活動性斷層,M與M′均>9.6即為中等活動斷層。一般來說,M與M′越大,活動性越強。整體來看,研究區斷層活動性還未達到強活動斷層的程度,作為龍門山褶皺逆沖斷裂帶的最前緣,其活動性已大為降低。

致謝:感謝沉積與特提斯地質審稿專家和編輯老師給予的寶貴意見,從文章邏輯性、內容到參考文獻都進行了及時和嚴謹的修改,讓我受益匪淺。